Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние теории, техники и технологии процесса термообработки какао-бобов 11
1.1 Краткий обзор техники и технологии переработки какао 11
1.1.1 Модельцепочки добавленной стоимости какао-бобов 11
1.1.2 Стандарты качества и сортировки какао-бобов 14
1.1.3 Свойства какао-бобов как объекта термообработки 16
1.1.4 Технология переработки какао 21
1.2 Анализ технологических методов и средств термообработки в условиях послеуборочной обработки какао-бобов 25
1.2.1 Необходимость термообработки какао-бобов 25
1.2.2 Современные методы термообработки какао-бобов 26
1.2.3 Классификация современных сушилок 28
1.3 Современные методы моделирования и управления процессом термообработки 31
1.3.1 Основы моделирования систем 31
1.3.2 Моделирование и управление процессом термообработки с использованием методов искусственного интеллекта 32
1.3.3 Математическое моделирование процессов термообработки 37
1.4 Выводы по главе и задачи исследования 43
ГЛАВА 2. Анализ физической системы термообработки какао-бобов 46
2.1 Общая модель системы термообработки 46
2.1.1 Модель оборудования для термообработки какао-бобов 47
2.1.2 Модель материала термообработки
2.2 Экспериментальное исследование процесса термообработки какао бобов 53
2.2.1. Методика подготовки какао бобов к термообработке 53
2.2.2. Методика определения влажности и температуры слоя какао бобов 53
2.2.3. Методика исследования режимов термообработки какао бобов 54
2.2.4. Анализ результатов экспериментального исследования процесса термообработки какао бобов 57
2.3 Выводы по ГЛАВЕ 58
ГЛАВА 3. Математическое моделирование процесса термообработки какао-бобов 60
3.1. Разработка математической модели процесса термообработки какао бобов 60
3.2 Численное решение разработанной математической модели термообработки какао-бобов 69
3.3 Разработка методика для расчета параметров процесса термообработки какао-бобов 74
3.4. Разработка методики расчета оптимального режима термообработки какао-бобов 81
3.4 Выводы по главе 86
ГЛАВА 4. Автоматизированное управление процессом термообработки какао-бобов 87
4.1 Технологический процесс термообработки как объект управления 87
4.2 Разработки функциональной структуры системы автоматизированного управления процессом термообработки какао-бобов 90
4.3 Выбор закона регулирования
4.3.1 Обоснование выбора закона регулирования 92
4.3.2 Расчет динамических характеристик объекта управления
4.4 Разработка модели регулятора для управления процессом термообработки какао 96
4.5 Настройка пид-регулятора при помощи алгоритма дифференциальной эволюции 100
4.6. Оценка эффективности системы автоматизированного управления процессом термообработки какао-бобов 107
4.7 Выводы по главе
ГЛАВА 5. Идентификация и программная реализация математической модели 111
5.1 Идентификация математической модели 111
5.1.1 Расчет тепло физических параметров скелета слоя какао-бобов 111
5.1.2 Расчет тепло физических характеристик влажных частиц какао-бобов. 114
5.1.3 Расчет тепло физических характеристик слоя какао-бобов 115
5.1.4 Расчет поля температур для слоя какао-бобов 117
5.2 Разработка программного обеспечения для моделирования процесса термообработки слоя какао-бобов 123
5.2.1 Архитектура программного обеспечения 123
5.2.2 Базы данных системы 125
5.2.3 Разработка модели процесса термообработки и модели решения 129
5.2.4 Разработки графического интерфейса пользователя 130
5.3 Выводы по ГЛАВЕ 134
Основные выводы и результаты работы 136
Список литературы
- Свойства какао-бобов как объекта термообработки
- Модель оборудования для термообработки какао-бобов
- Численное решение разработанной математической модели термообработки какао-бобов
- Разработка модели регулятора для управления процессом термообработки какао
Свойства какао-бобов как объекта термообработки
Окончательное качество какао-бобов в значительной степени зависит не от их происхождения, а от погодных условий во время выращивания, состояния почвы, условий ферментации, сушки и хранении [33].
В результате все партии какао-бобов проходят через процедуры контроля качества до их экспортирования [35,40]. Этот процесс осуществляется на различных этапах обработки и включает в себя сортировку бобов.
Различные стандарты какао, которые применяются в наше время, включают такие показатели, как аромат и вкус, чистота и доброкачественность продукта. Наиболее важными из этих стандартов являются стандарты ISO [41], а также стандарты различных торговых ассоциаций, таких как Лондонская ассоциация какао (Cocoa Association of London), Французская торговая ассоциация какао (Francaise Du Commerce de Cacao) и Американская ассоциация торговцев какао (the US Cocoa Merchants Association) [42]. Стандарты сортов какао основаны на показателях пробы на разрез, что позволяет путем вскрытия какао-боба определить первоначальные существенные вкусовые дефекты по цвету высушенного ядра [43].
Сортировка включает в себя классификацию партий какао-бобов по установленным стандартам качества с учетом их физических и химических свойств. Правильная оценка класса качества очень важна не только потому, что диктует цену партии, - она определяет, где эти какао-бобы могут быть использованы [37].
Сортировка по качеству какао-бобов зависит от стран-изготовителей и стран-потребителей. На протяжении многих лет на рынке сложилась стандартная практика оценки качества какао-бобов, установленная основными международными торговыми ассоциациями [37]. Некоторые из используемых критериев включают методы ферментации и сушки, методы контроля над болезнями и вредителями растений, способы хранения и обработки бобов и т.д. Неправильные методы ферментации и сушки какао-бобов, например, могут привести к низкому качеству и отклонению от стандартов, так как являются причиной появления кислого вкуса какао-бобов и плесени.
Отдел контроля качества в Совете по делам управления какао в Гане (Ghana COCOBOD) несет ответственность за проверку, оценку качества и сертификацию какао-бобов в Гане [40]. Персонал должен правильно оценить качество какао путем визуального осмотра, оценки запаха и физических свойств, провести органолептические тесты, пробы на разрез.
Как правило, качественные какао-бобы округлые, с рыхлой неповрежденной семенной оболочкой, влажностью не более 7,5 % и примесью посторонних веществ около 0,5 %. Плоские, сморщенные или заплесневелые бобы, с повреждениями от насекомых или с другими дефектами неприемлемы. По международным стандартам качества, какао-бобы подразделяются на три класса, как показано в таблице 1.1. Отбор и оценка качества какао-бобов в значительной степени -искусство, чем наука, поскольку большинство из критериев, используемых при оценке, являются нечеткими и, как правило, вычисляются приближенно, основываясь на опыте и индивидуальном суждении эксперта.
Физические и химические характеристики какао-бобов, такие как размер, вкус, цвет и химический состав жира, варьируются в зависимости от происхождения какао-бобов. Существует около 20 видов семейства Theobroma, но дерево Theobroma cacao является единственным видом, имеющим реальную промышленную ценность [44]. Исследователи этого вида выделяют несколько независимых подвидов, описанных как Criollo и Forastero. Подвид Criollos широко известен своими более светлыми по цвету бобами с мягким ореховым вкусом. Плоды Forastero характеризуются темно-коричневым оттенком, с более выраженным вкусом и слегка горьковатые, с более высоким содержанием жира [33]. Существует также гибрид Criollo и Forastero называемый Trinitarios [33,35]. Считается, что большая часть мирового урожая - это бобы Forastero. Какао-бобы Ганы принадлежат именно к этому виду.
Дерево какао дает от 20 до 30 стручков в год, каждый из стручков содержит от 30 до 45 бобов, покоящихся в слизистой плодовой мякоти. Из каждого стручка получается около 1,5 унций ферментированных и высушенных какао-бобов [35].
Бобы состоят из наружной оболочки, или семенной кожуры, окружающей две семядоли (называемые ядрышками), и небольшого зародыша (эмбриона растения) [44].
Большая часть компонентного состава какао-бобов - это жир (масло какао), на долю которого приходится более половины сухого веса ядра (см. таблицу 1.2).
Характерные свойства какао-бобов: содержание влаги, температура, удельная теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность, текучесть, объемная плотность, пористость, плотность, критическая скорость, удельный вес и упругость. При разработке технологии термообработки какао-бобы в качестве объекта термообработки принято считать гигроскопическими, с коллоидной капиллярно-пористой структурой. Поэтому необходимо учитывать зависимость их теплофизических свойств от влагосодержания, коэффициента диффузии влаги, температуры бобов, теплоустойчивости (тепловой чувствительности), а также физических свойств массы бобов. Таблица 1.2
Влагосодержание какао-бобов после ферментации составляет примерно 65 %, которое необходимо уменьшить до 7-8 %, чтобы предотвратить рост плесени при хранении, так как содержание влаги выше этого диапазона является благоприятной средой для роста плесени. С другой стороны, при влагосодержании ниже 6 % бобы становятся очень хрупкими, что значительно усложняет их последующую обработку и переработку [35]. Влагосодержание может быть выражено в процентах от общей массы или веса абсолютно сухой массы бобов [45]. где и - влагосодержание бобов (%) по отношению к общей массе влажных бобов; ис - влагосодержание бобов (%) относительно массы абсолютно сухих бобов; U - влагосодержание на единицу массы влажных бобов (кг); Мо - масса влажных бобов (кг); Мс - масса абсолютно сухих бобов (кг).
При определенной температуре и давлении влагосодержание влажного твердого вещества находится в равновесии с парогазовой смесью (ноль для негигроскопических твердых веществ). Это явление известно, как равновесное влагосодержание. Равновесное влагосодержание какао-бобов при различных температурах и относительной влажности приведено в таблице 1.3.
Температура термообработки. Тепло, подаваемое к какао-бобам во время сушки, должно быть ниже 60 С, поскольку выше этого предела какао-бобы потеряют некоторые летучие питательные вещества, такие как жирные кислоты, а также произойдет вспучивание бобов [28]. Кроме того, температура ниже 60 С позволяет сушить бобы более медленно и довести процессы формирования вкусового букета, начатые во время ферментации, до конца.
Модель оборудования для термообработки какао-бобов
Для проведения эксперимента ферментированные какао-бобы, имеющие влагосодержание 45 %, приобрели и привезли в цех для термообработки. Какао-бобы перед процессом термообработки необходимо подготовить, т. е. они должны пройти процессы очистки, инспекции и сортировки. В зависимости от технологического регламента и качества исходного сырья порядок подготовки может изменяться или содержать ряд дополнительных операций. К общим требованиям относится то, что для сохранения качества в термообработку берутся бобы одинакового размера.
Очистка бобов - это первый этап технологического процесса термообработки. В процессе очистки при наличии удаляются слипшиеся с сырьем механические примеси (мягкость, земля, песок и т.п.).
Далее проводится сортировка бобов по размеру для дальнейшей переработки бобов методом визуального инспектирования.
Какао-бобы как любое влажное растительное сырье состоит из трех фаз: твердой, жидкой и газообразной. Каждая фаза имеет свои особенности. В процессах термообработки, влажный материал рассматривается как смесь абсолютно сухого вещества и влаги: Ч =МсК +Мш (2-І) где Мр и Мск - соответственно масса влажного и абсолютно сухого материала, кг; Мвл - масса влаги, кг. В ходе процесса термообработки масса влажных бобов непрерывно уменьшается, поэтому влажность может характеризовать бобы только в стационарных условиях, но в процессе термообработки этой величиной пользоваться нельзя.
Неизменной в процессе остается только масса твердого вещества, поэтому в проектировании оборудовании термообработки пользуются понятием влагосодержание U бобов, выраженное в % или кг/кг:
Методика исследования режимов термообработки какао-бобов При проведении эксперимента по исследованию динамических характеристик электронагревателя в режимах нагрева, а также измерения температуры воздуха обычно используется несколько типов термопар. Исследование процесса термообработки какао-бобов проводилось на вышеописанной экспериментальной установке, общий вид которой показан на рис. 2.6.
При проектировании, сборке и запуске установки для термообработки в работу использовались термопреобразователи сопротивления типа ТНМК-Р12-01 класса К от фирмы PROSENSE. Исследование динамики нагрева нагревателя, сырья, воздуха внутри установки проводились, с помощью тех же датчиков температуры и пирометра с диапазоном от 18 С - 350 С и точностью 1%. Термопреобразователи располагались следующим образом: о на нагревателе; о в воздушной среде установки термообработки. о свойства агента термообработки (скорость, относительная влажность и температура).
Для получения более точного значения температуры, термопары в воздушной среде установки термообработки располагаются на разных точках в сушильной камере, и значение измеренной температуры принимается равной среднему значению этих термопар.
Температура воздуха окружающей среды при проведении опытов изменялась от 18 С до 20 С, но данное изменение мало влияло на погрешность измерения. Однако при наличии даже незначительных сквозняков наблюдалось значительное увеличение погрешности измерений, в этой связи опыты проводились в закрытом помещении.
Какао-бобы непрерывно загружали на конвейерную ленту в сушильной камере и равномерно распределяли по всей площади поверхности в виде слоя Параметры Этапы
Конфигурации экспериментальных исследований заданной толщины. На нагреватель подавали напряжение для нагрева воздуха до определенной температуры. Также запускали фен для продувания горячего воздуха в камере на определенной скорости. Конструкция оборудования обеспечивала равномерное распределение температуры по площади поверхности слоя. Скорость воздуха измерялась цифровым анемометром. Таблица 2.2
Перед термообработкой бобы очищали от примесей и сортировали. Исследования процесса термообработки какао-бобов проводились при условиях, приведенных в таблице 2.2. и результаты исследования представлены в приложении F. 2.2.4. Анализ результатов экспериментального исследования процесса термообработки какао бобов После проведения экспериментов на основе полученных данных по изменению температуры на поверхности и внутри слоя какао-бобов с течением процесса термообработки построены кривые зависимости технологических параметров, как представлено на рисунке 2.7.
В главе делается анализ физической системы процесса термообработки какао-бобов в конвективном оборудовании ленточного типа. Система сушки какао состоит из модели оборудования и модели материала термообработки. Функциональные и концептуальные модели разработаны как для модели оборудования, так и для модели материала термообработки.
Проведены экспериментальные исследования процесса термообработки какао-бобов при различных режимах эксплуатации оборудования. Анализ кривых этих исследований указывает на наличие трех стадий/периодов: прогрева, постоянной и падающей скорости термообработки.
Результаты исследований также показывают, что її значительно короткое и характеризуется быстрым нагревом слоя до Ті = 30-55 С. Температура материала равна температуре воздуха только при х — оо, поэтому ограничимся условием Т2 = а Тс, где а = 0,95. В период постоянной скорости термообработки резко повышается температура слоя за счет испарением поверхностной влаги и интенсификации внутренней диффузии. В третьем периоде испаряемый пар турбулизирует пограничный слой, повышая интенсивность теплообмена, что приведет к интенсификации процесса термообработки.
Численное решение разработанной математической модели термообработки какао-бобов
На основании аналитического решения модели, анализа результатов экспериментальных исследований и в литературе лабораторно полученных данных по кинетике процесса термообработки в зависимости от температуры, а также динамики процесса реакции ферментативного потемнения, разработана структурная схема полученной модели процесса. Структурная схема математической модели термообработки какао-бобов, т. е. системы дифференциальных уравнений (3.12) - (3.15), представлена на рис. 4.4.
Подставляя основные параметры процесса термообработки (как показано в приложении С) в модель, можно провести численный расчет технологического процесса для его моделирования и управления в среде Matlab.
Структурная схема модели процесса термообработки какао бобов. Синтезирована система управления в среде Matlab при помощи Simulink для численного моделирования автоматизированной системы управления процессом термообработки какао-бобов. Блок-схема реализуемого регулятора обратной связи в Simulink показана на рисунке 4.5, а результаты моделирования - на рисунках 4.6а и 4.66, а также на рисунках 4.7а и 4.76.
Алгоритм дифференциальной эволюции (ДЭ) - это эвристический алгоритм оптимизации, который в отличие от простого генетического алгоритма (ГА), использующего бинарное кодирование для представления параметров задачи, использует реальное кодирование чисел с плавающей запятой [103,104].
По сравнению с другими алгоритмами оптимизации ДЭ имеет многочисленные преимущества, среди которых способность найти точный глобальный оптимум независимо от значений начальных параметров, быстрая сходимость и способность использовать немногочисленные параметры управления [107].
Соответствующие настройки параметров ПИД (Кр, Ki, и Ко) улучшат динамические характеристики системы, уменьшат выброс, устранят статическую ошибку и увеличат стабильность системы. Это приведет к минимизации критериев реализации во временной области [104].
Наиболее важным шагом в оптимизации ПИД-регуляторов является выбор целевых функций, которые используются для оценки пригодности каждого члена множества. Показатели эффективности 1р могут быть использованы в качестве целевых функций. К показателям эффективности ПИД-регулятора относятся средняя квадратичная погрешность (СКП), интегрированная абсолютная погрешность (ИАП), интеграл квадратичной погрешности (ИКП) и интегрированная взвешенная по времени квадратичная погрешность (ИВКП), которые формулируются следующим образом [108,103,101]: где т - время; є - погрешность (отклонение от заданной температуры г от измеренной у). В качестве целевой функции были использованы средняя квадратичная погрешность (СКП) и интегрированная абсолютная погрешность (ИАП). Режим работы ПИД-регулятора нацелен на минимизацию сигналов погрешности таким образом, чтобы свести к минимуму величину показателей эффективности, упомянутых выше.
ДЭ начинается с формирования равномерно распределенной начальной популяции Im = {х1, х2,... xNP} для поиска области допустимых решений, где каждый вектор обозначает набор ПИД-коэффициентов. В любом рабочем цикле каждый вектор в Im испытывается с целью улучшения своей пригодности. Такое преобразование проходит в три этапа [102,103].
Во-первых, отдельно от целевого объекта три определенных объекта Xа, хъ и хс) выбираются случайным образом, после чего используются для получения мутантного вектора следующим образом: где Yfit - значение пригодности; F 0 - коэффициент масштабирования (весовой коэффициент), который, как правило, выбирается из диапазона [0,1] [103]; Xа - базовый вектор. Если точка xcl D, то операция мутации повторяется. Затем значения Кр, Ki и KD поступают в ПИД-систему для вычисления значения пригодности.
Координата пробного вектора xf, принадлежащая родителям х{ и хс1, рассчитывается с использованием следующего правила кроссовера: где pi обозначает случайно выбранное целое число, которое является элементом множества p=pi, Р2, ..., Рп; индекс і - это порядковый -компонент соответствующих векторов; U/ Є (0, 1)-вектор случайных чисел для каждого у.
Конечная цель правила кроссовера (4.10) - получение пробного вектора Xs путем использования компонентов целевого вектора х{ и мутированного вектора хс1. А это обеспечивается путем введения CR И множества р. Следует учесть, что, если CR = 1, то пробный вектор Xs станет копией мутантного вектора хс1. Эффект CR был изучен, оказалось, что CR = 0,5 является оптимальным. Процесс поиска конечных целей продолжается до тех пор, пока все члены Im не будут рассмотрены. После того как все пробные точки Xs получены, они этапе значение функции в пробной точке / (х ) сравнивается со значением заданной контролируемой точки f(xs). Если / (xs) f (xcl), то xs заменяет хс1 в Іт; в противном случае 1т сохраняет первоначальное значение хс1. Воспроизведение (мутация и кроссовер) и приемка продолжаются до тех пор, пока не будут выполнены условия прерывания управляющей программы. Алгоритм ДЭ выглядит следующим образом:
Разработка модели регулятора для управления процессом термообработки какао
На этой стадии выделенные нами множества, были представлены в виде отношений. Были определены виды связей и отношений, атрибуты отношений и логика их взаимосвязи. Используя множество, выделенное на предыдущем этапе, рассмотрим логическую модель базы данных программного обеспечения для моделирования процесса термообработки слоя какао-бобов.
Оборудование для термообработки характеризуется размерами (длина/, и высота Н) сушильной камеры; скоростью производственного цикла (скорость конвейерной ленты S) и площадью конвейерной ленты, покрытой продуктом Л; энергией Е, необходимой для нагрева воздуха и перемещения конвейерной ленты.
Материал термообработки (продукт) характеризуется своей первоначальной Uo, конечной U/ и равновесной Ue влажностью; начальной То, максимальной Тт и выходной Т/температурой; скоростью движения и другими свойствами термообработки, такими как теплоемкость, активность воды, диффузия, теплопроводность и т.д.
Агент термообработки (воздух) характеризуется скоростью, камерной температурой воздуха Тс, выходной температурой Те и относительной влажностью.
Для создания базы данных была разработана логическая модель данных в генераторе кода CodeFluent Entities.
Генератор кода CodeFluent Entities, разработанный компанией SoftFluent, является инструментом быстрой разработки приложений (RAD), который интегрируется в пакет Visual Studio (версии 2008 и выше). С его помощью генерируются коды для SQL-сервера, базы данных Oracle и SQL Azure, чтобы переводить модели пользователя в физическую (полную) базу данных. Он также является генератором кодов для языков .NET, таких как Visual Basic, С# и ASP. В основе процесса создания кодов лежит модель, и он непрерывен. Таким образом, он использует пользовательскую декларативную модель, как показано на рис. 5.6, чтобы генерировать метамодель, из которой генерируются коды с использованием генераторов [113]. Генерируемый код затем был экспортирован в физическую модель системы управления базы данных (СУБД) SQL Server.
Разработка модели процесса термообработки и модели решения В качестве модели процесса использована математическая модель, которая была представлена в главе 3. В качестве модели решения использован алгоритм расчета параметров термообработки, который был представлен в главе 3. Алгоритм был использован для реализации этого решения в MatLab.
MATLAB (Matrix Laboratory) - пакет прикладных программ с высокоуровневым языком и интерактивной средой, разработанный компанией «The Math Works» для программирования, численных расчетов и визуализации результатов. С помощью MATLAB можно анализировать данные, разрабатывать алгоритмы, создавать модели и приложения.
Преимущества данного пакета по сравнению с электронными таблицами или традиционными языками программирования, такими как C/C++ или Java, в гибкости и быстроте получения решения с использованием встроенного инструментария и математических функций.
Использовались программа MATLAB версии 7.12 (R2014a) и такие инструменты, как окно инструментария «Дифференциальное уравнение в частных производных» (Partial Differential Equation Toolbox, PDE), графическая библиотека и математическая библиотека. Функции MATLAB (в m файлах) были созданы для выполнения вычислений конечных разниц с целью решения основных уравнений. После реализации вышеизложенного алгоритма в MatLab код экспортировали в язык Visual Basic .NET через интерфейс СОМ для дальнейшей разработки симулятора в пакете Microsoft Visual Studio 2013.
Для дальнейшей разработки программного обеспечения был использован объектно-ориентированный язык программирования Visual Basic.NET. в интегрированной среде разработки программного обеспечения Visual Studio 2013 для разработки графического интерфейса пользователя (см. рисунки 5.7 и 5.10) и других функций программного обеспечения.
Microsoft Visual Studio 2013 является новейшей версией наиболее устойчивой и гибкой интегрированной среды, разработанной компанией «Майкрософт» для создания современного высококачественного программного обеспечения для ряда платформ, таких как ОС Windows, для веб-сайтов, Microsoft облачных систем, планшетов под управлением ОС Windows 8 и телефонных устройств ОС Windows. и Dry-СИМ Какао \ }\Ж\[Ж}
Проведен численный расчет теплофизических параметров объекта исследования, таких как плотность, теплопроводность, удельная теплоемкость, температуропроводность и т.д. Используя эти расчетные тепло физические параметры, проведены расчеты значения температурных полей и полей при различных значениях температуры сушильного агента.
Также был описан процесс разработки программного обеспечения с использованием комплекса средств быстрой разработки приложений, а именно платформ Visual Basic.NET, CodeFluent Entities и MATLAB 7.12, для моделирования процесса термообработки слоя какао-бобов в конвективной сушилке. В его основе лежат математическая модель и алгоритм расчета параметров модели, описанные в третьей главе, и базы данных, разработанных в SQL Server. Программное обеспечение позволяет пользователям рассчитать условия термообработки, такие как распределение тепла и степень реакции в слое какао-бобов во время термообработки, и ее продолжительность. Программное обеспечение может стать мощным инструментом принятия решений, который будет полезен инженерам и операторам для разработки наилучших условий термообработки, что необходимо для улучшения качества какао-бобов и конечных какао-продуктов. С помощью этого инструмента инженеры могут определить и оценить возможности различных условий термообработки, чтобы прийти к наиболее оптимальному сочетанию параметров термообработки до их реального применения. Это позволит снизить затраты и сэкономить много времени при проведении экспериментов.
Похожие диссертации на Моделирование и управление технологическим процессом термообработки какао-бобов
